DE102014209793B4 - Method and device for operating an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine umfassend einen Ansaugtrakt (1) und einen oder mehrere Zylinder (Z1 bis Z4), denen jeweils Gaseinlassventile (12) und Gasauslassventile (13) zugeordnet sind, wobei Gaswechselventile Gaseinlassventile (12) und Gasauslassventile (13) umfassen, bei dem in einem ersten Betriebszustand- zyklisch eine Modelltemperatur eines Gases im Ansaugtrakt (1) für einen aktuellen Zeitpunkt ermittelt wird abhängig von einem vorgegebenen Saugrohrmodell und frei von einem Temperaturmesswert des Gases, der dem aktuellem Zeitpunkt zugeordnet ist,- wobei die Modelltemperatur für den aktuellen Zeitpunkt ermittelt wird abhängig von einer Modelltemperatur, die für einen vorangegangenen Zeitpunkt ermittelt wurde,- abhängig von der für den aktuellen Zeitpunkt ermittelten Modelltemperatur eine Zylinderluftmasse ermittelt wird, die sich nach Schließen der Gaswechselventile in dem jeweiligen Zylinder befindet, bei dem in einem zweiten Betriebszustand- ein Temperaturmesswert des Gases bereitgestellt wird, der repräsentativ ist für eine Temperatur des Gases zu dem aktuellen Zeitpunkt,- ein Temperaturkorrekturwert abhängig von der Modelltemperatur für den aktuellen Zeitpunkt und dem bereitgestellten Temperaturmesswert ermittelt wird,- der Temperaturkorrekturwert dem Saugrohrmodell zugeordnet wird und- zumindest in dem ersten und dem zweiten Betriebszustand die Modelltemperatur für den aktuellen Zustand abhängig von dem Temperaturkorrekturwert mittels des Saugrohrmodells ermittelt wird und bei dem die Modelltemperatur für den aktuellen Zeitpunkt abhängig von dem bereitgestellten Temperaturmesswert angepasst wird, indem die Modelltemperatur um einen vorgegebenen Faktor in Richtung des Temperaturmesswerts korrigiert wird.Method for operating an internal combustion engine comprising an intake tract (1) and one or more cylinders (Z1 to Z4), to which gas inlet valves (12) and gas outlet valves (13) are assigned, wherein gas exchange valves include gas inlet valves (12) and gas outlet valves (13) in which a model temperature of a gas in the intake tract (1) is determined cyclically for a current point in time in a first operating state, depending on a predefined intake manifold model and free of a measured temperature value of the gas which is assigned to the current point in time, the model temperature for the current point in time is determined depending on a model temperature, which was determined for a previous point in time, - depending on the model temperature determined for the current point in time, a cylinder air mass is determined which, after the gas exchange valves are closed, is in the respective cylinder, in which in a second operating state Tempe The measured temperature value of the gas is provided, which is representative of a temperature of the gas at the current time, - a temperature correction value is determined depending on the model temperature for the current time and the temperature measurement value provided, - the temperature correction value is assigned to the intake manifold model and - at least in the first and the second operating state, the model temperature for the current state is determined as a function of the temperature correction value by means of the intake manifold model and in which the model temperature for the current time is adapted as a function of the temperature measurement value provided, by correcting the model temperature by a predetermined factor in the direction of the temperature measurement value.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem oder mehreren Zylindern, denen jeweils Gaseinlassventile zugeordnet sind.The invention relates to a method and a device for operating an internal combustion engine with one or more cylinders, each of which gas inlet valves are assigned.
Immer strengere gesetzliche Vorschriften bezüglich zulässiger Schadstoffemissionen von Kraftfahrzeugen, in denen Brennkraftmaschinen angeordnet sind, machen es erforderlich, die Schadstoffemissionen bei dem Betrieb der Brennkraftmaschine so gering wie möglich zu halten. Dies kann zum einen erfolgen, indem die Schadstoffemissionen verringert werden, die während der Verbrennung des Luft-/Kraftstoff-Gemisches in den jeweiligen Zylindern der Brennkraftmaschine entstehen. Zum anderen sind in Brennkraftmaschinen Abgasnachbehandlungssysteme im Einsatz, die die Schadstoffemissionen, die während des Verbrennungsprozesses des Luft-/Kraftstoff-Gemisches in den jeweiligen Zylindern erzeugt werden, in unschädliche Stoffe umwandeln. Zu diesem Zweck werden Abgaskatalysatoren eingesetzt, die Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe und Stickoxide in unschädliche Stoffe umwandeln.Ever stricter legal regulations with regard to permissible pollutant emissions from motor vehicles in which internal combustion engines are arranged make it necessary to keep the pollutant emissions as low as possible during the operation of the internal combustion engine. On the one hand, this can be done by reducing the pollutant emissions that arise during the combustion of the air / fuel mixture in the respective cylinders of the internal combustion engine. On the other hand, exhaust gas aftertreatment systems are used in internal combustion engines, which convert the pollutant emissions that are generated in the respective cylinders during the combustion process of the air / fuel mixture into harmless substances. For this purpose, catalytic converters are used that convert carbon monoxide, hydrocarbons and nitrogen oxides into harmless substances.
Sowohl das gezielte Beeinflussen des Erzeugens der Schadstoffemissionen während der Verbrennung in dem jeweiligen Zylinder als auch das Umwandeln der Schadstoffkomponenten mit einem hohen Wirkungsgrad durch den Abgaskatalysator setzen ein sehr präzise eingestelltes Luft-/Kraftstoff-Verhältnis in dem jeweiligen Zylinder voraus.Both the targeted influencing of the generation of the pollutant emissions during the combustion in the respective cylinder and the conversion of the pollutant components with a high efficiency by the exhaust gas catalytic converter require a very precisely set air / fuel ratio in the respective cylinder.
Ein Saugrohrmodell ist beispielsweise in dem Fachbuch „Handbuch Verbrennungsmotor, Grundlagen, Komponenten, Systeme, Perspektiven“ , Herausgeber Richard van Basshuysen/Fred Schäfer, 2. verbesserte Auflage, Juni 2002, Friedrich Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig/Wiesbaden, Seiten 557 bis 559, beschrieben. Ferner sind derartige Saugrohrmodelle auch in
In der
In der Veröffentlichung von F. Karlsson: „Modelling the Intake Manifold Dynamics in a Diesel Engine“, Linköping, 2. April 2001, - Examensarbeit sind Modelle für die Saugstrecke von Brennkraftmaschinen beschrieben. In dieser Veröffentlichung ist offenbart, dass als Zustandsvariable nicht nur wie üblich Druck- und Gasmasse verwendet werden können, sondern auch Druck und Temperatur. Anhand der Differentialgleichungen für das „pT state model“ können zur Berechnung von Modelltemperatur und Modelldruck jeweils die Modellgrößen aus dem vorherigen Rechenschritt verwendet werden.In the publication by F. Karlsson: "Modeling the Intake Manifold Dynamics in a Diesel Engine", Linköping, April 2, 2001, - Exam work models for the suction section of internal combustion engines are described. It is disclosed in this publication that not only pressure and gas mass can be used as the state variable, but also pressure and temperature. Using the differential equations for the "pT state model", the model sizes from the previous calculation step can be used to calculate the model temperature and model pressure.
Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine zu schaffen, das beziehungsweise die einen Beitrag leistet für einen zuverlässigen und emissionsarmen Betrieb der Brennkraftmaschine.The object on which the invention is based is to create a method and a device for operating an internal combustion engine which makes a contribution to reliable and low-emission operation of the internal combustion engine.
Die Aufgabe wird gelöst für ein Verfahren durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche 1 und 2 und für eine Vorrichtung durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.The object is achieved for a method by the features of the
Die Erfindung zeichnet sich aus einerseits durch ein Verfahren und andererseits durch eine korrespondierende Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Ansaugtrakt und einem oder mehreren Zylindern, denen jeweils Gaseinlassventile und Gasauslassventile zugeordnet sind, wobei Gaswechselventile Gaseinlassventile und Gasauslassventile umfassen.The invention is characterized on the one hand by a method and on the other hand by a corresponding device for operating an internal combustion engine with an intake tract and one or more cylinders, each of which gas inlet valves and gas outlet valves are assigned, gas exchange valves comprising gas inlet valves and gas outlet valves.
In einem ersten Betriebszustand wird zyklisch eine Modelltemperatur eines Gases im Ansaugtrakt für einen aktuellen Zeitpunkt ermittelt abhängig von einem vorgegebenen Saugrohrmodell und frei von einem Temperaturmesswert des Gases, der dem aktuellem Zeitpunkt zugeordnet ist. Die Modelltemperatur wird für den aktuellen Zeitpunkt ermittelt abhängig von einer Modelltemperatur, die für einen vorangegangenen Zeitpunkt ermittelt wurde. Abhängig von der für den aktuellen Zeitpunkt ermittelten Modelltemperatur wird eine Zylinderluftmasse ermittelt, die sich nach Schließen der Gaswechselventile in dem jeweiligen Zylinder befindet.In a first operating state, a model temperature of a gas in the intake tract is determined cyclically for a current point in time depending on a predefined intake manifold model and free of a temperature measurement value of the gas that is assigned to the current point in time. The model temperature is determined for the current point in time depending on a model temperature for a previous one Time was determined. Depending on the model temperature determined for the current point in time, a cylinder air mass is determined which is in the respective cylinder after the gas exchange valves have been closed.
In einem zweiten Betriebszustand wird ein Temperaturmesswert des Gases bereitgestellt, der repräsentativ ist für eine Temperatur des Gases zu dem aktuellen Zeitpunkt.
Ein Temperaturkorrekturwert wird abhängig von der Modelltemperatur für den aktuellen Zeitpunkt und dem bereitgestellten Temperaturmesswert ermittelt.In a second operating state, a temperature measurement value of the gas is provided which is representative of a temperature of the gas at the current time.
A temperature correction value is determined depending on the model temperature for the current time and the temperature measurement value provided.
Der Temperaturkorrekturwert wird dem Saugrohrmodell zugeordnet und zumindest in dem ersten und dem zweiten Betriebszustand die Modelltemperatur für den aktuellen Zustand abhängig von dem Temperaturkorrekturwert mittels des Saugrohrmodells ermittelt, und bei dem die Modelltemperatur für den aktuellen Zeitpunkt abhängig von dem bereitgestellten Temperaturmesswert angepasst wird, indem die Modelltemperatur um einen vorgegebenen Faktor in Richtung des Temperaturmesswerts korrigiert wird.The temperature correction value is assigned to the intake manifold model and, at least in the first and the second operating state, the model temperature for the current state is determined depending on the temperature correction value by means of the intake manifold model, and the model temperature is adapted for the current time depending on the temperature measurement value provided by the model temperature is corrected by a predetermined factor in the direction of the temperature measured value.
Der erste Betriebszustand ist insbesondere ein instationärer Betriebszustand. Der vorangegangene Zeitpunkt ist insbesondere dem letzten Zyklus zugeordnet.The first operating state is in particular an unsteady operating state. The previous point in time is particularly assigned to the last cycle.
Ein Temperatursensor im Ansaugtrakt hat häufig eine relativ große Verzögerung. Indem die Zylinderluftmasse frei von einem Temperaturmesswert ermittelt wird, der dem aktuellem Zeitpunkt zugeordnet ist, kann sehr schnell eine Zylinderluftmasse ermittelt werden und dadurch ein Beitrag zu einem zuverlässigen und emissionsarmen Betrieb der Brennkraftmaschine geleistet werden, da die Zylinderluftmasse als Grundlage für die Kraftstoffzumessung genutzt werden kann.A temperature sensor in the intake tract often has a relatively large delay. By determining the cylinder air mass free of a temperature measurement value that is assigned to the current point in time, a cylinder air mass can be determined very quickly, thereby making a contribution to reliable and low-emission operation of the internal combustion engine, since the cylinder air mass can be used as the basis for the fuel metering ,
Abhängig von der Modelltemperatur für den aktuellen Zeitpunkt und dem bereitgestellten Temperaturmesswert wird ein Temperaturkorrekturwert ermittelt. Der Temperaturkorrekturwert wird dem Saugrohrmodell zugeordnet und zumindest in dem ersten und dem zweiten Betriebszustand wird die Modelltemperatur für den aktuellen Zustand abhängig von dem Temperaturkorrekturwert mittels des Saugrohrmodells ermittelt.A temperature correction value is determined depending on the model temperature for the current point in time and the temperature measurement value provided. The temperature correction value is assigned to the intake manifold model and at least in the first and the second operating state, the model temperature for the current state is determined as a function of the temperature correction value by means of the intake manifold model.
Der zweite Betriebszustand ist insbesondere ein quasistationärer Betriebszustand. Der quasistationäre Betriebszustand zeichnet sich beispielsweise dadurch aus, dass alle Eingangssignale des Saugrohrmodells eine vorgegebene Zeit, wie beispielsweise mehrere Sekunden, im Wesentlichen konstant sind. Da sich die Temperatur des Gases in dem zweiten Betriebszustand im Wesentlichen nicht verändert, ist der Temperaturmesswert des Gases, der repräsentativ ist für eine Temperatur des Gases zu dem aktuellen Zeitpunkt, beispielsweise der Temperaturmesswert des Gases, der dem aktuellem Zeitpunkt zugeordnet ist oder ein Temperaturmesswert des Gases, der dem vorangegangenen Zeitpunkt zugeordnet ist.The second operating state is in particular a quasi-stationary operating state. The quasi-stationary operating state is distinguished, for example, by the fact that all input signals of the intake manifold model are essentially constant for a predetermined time, for example several seconds. Since the temperature of the gas essentially does not change in the second operating state, the temperature measurement value of the gas that is representative of a temperature of the gas at the current time is, for example, the temperature measurement value of the gas that is assigned to the current time or a temperature measurement value of the Gases assigned to the previous point in time.
Der Temperaturkorrekturwert wird beispielsweise derart ermittelt, dass die Differenz zwischen Modelltemperatur und Temperaturmesswert minimiert wird. Beispielsweise wird mittels des Temperaturkorrekturwerts die Modellgröße „Temperatur des Drosselklappenmassenstroms“ des Saugrohrmodells korrigiert. Möglich ist alternativ oder zusätzlich auch die Einführung eines zusätzlichen, nicht physikalisch modellierten Modelleingangs „Wärmestrom durch die Saugrohrwand“, der derart mittels des Temperaturkorrekturwerts korrigiert wird, dass die Differenz zwischen Modelltemperatur und Temperaturmesswert minimiert wird. Auf diese Weise kann die Ermittlung der Zylinderluftmasse besonders genau erfolgen.The temperature correction value is determined, for example, in such a way that the difference between the model temperature and the temperature measured value is minimized. For example, the model variable “temperature of the throttle valve mass flow” of the intake manifold model is corrected using the temperature correction value. As an alternative or in addition, it is also possible to introduce an additional, non-physically modeled model input “heat flow through the intake manifold wall”, which is corrected using the temperature correction value in such a way that the difference between the model temperature and the temperature measured value is minimized. In this way, the cylinder air mass can be determined particularly precisely.
Ferner wird in dem zweiten Betriebszustand der Temperaturmesswert des Gases bereitgestellt, der repräsentativ ist für eine Temperatur des Gases zu dem aktuellen Zeitpunkt und die Modelltemperatur wird für den aktuellen Zeitpunkt abhängig von dem bereitgestellten Temperaturmesswert angepasst.Furthermore, in the second operating state, the temperature measurement value of the gas is provided, which is representative of a temperature of the gas at the current time, and the model temperature is adapted for the current time depending on the temperature measurement value provided.
In dem zweiten Betriebszustand spielt die relativ große Verzögerung des Temperatursensors gegebenenfalls keine Rolle, da sich die Werte des Sensors im Wesentlichen nicht ändern. Somit kann in dem zweiten Betriebszustand die Modelltemperatur einfach an den Temperaturmesswert angepasst werden. Diese Anpassung kann wiederum bei einem Wechsel in den ersten Betriebszustand genutzt werden, da im ersten Betriebszustand die Modelltemperatur für den aktuellen Zeitpunkt ermittelt wird abhängig von einer Modelltemperatur, die für einen vorangegangenen Zeitpunkt ermittelt wurde. Hierdurch kann somit die Zylinderluftmasse in beiden Betriebszuständen besonders genau und trotzdem sehr schnell ermittelt werden.In the second operating state, the relatively large delay of the temperature sensor may not play a role, since the values of the sensor essentially do not change. In the second operating state, the model temperature can thus be easily adapted to the temperature measured value. This adaptation can in turn be used when changing to the first operating state, since in the first operating state the model temperature for the current point in time is determined as a function of a model temperature that was determined for a previous point in time. As a result, the cylinder air mass can be determined particularly precisely and nevertheless very quickly in both operating states.
Auf diese Weise kann die Korrektur der Zylinderluftmasse besonders robust und sehr einfach erfolgen, da beispielsweise sehr wenige Berechnungsschritte für die Korrektur notwendig sind. In this way, the correction of the cylinder air mass can be carried out in a particularly robust and very simple manner, since, for example, very few calculation steps are necessary for the correction.
Auf diese Weise kann die Korrektur der Zylinderluftmasse besonders robust und sehr genau erfolgen, da auf einfach Weise die Differenz für die Korrektur genutzt wird.In this way, the correction of the cylinder air mass can be carried out particularly robustly and very precisely, since the difference is used in a simple manner for the correction.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird zyklisch ein Modelldruck eines Gases im Ansaugtrakt für einen aktuellen Zeitpunkt ermittelt abhängig von dem vorgegebenen Saugrohrmodell und frei von einem Druckmesswert des Gases, der dem aktuellem Zeitpunkt zugeordnet ist. Der Modelldruck wird für den aktuellen Zeitpunkt ermittelt abhängig von einem Modelldruck, der für einen vorangegangenen Zeitpunkt ermittelt wurde. Abhängig von dem für den aktuellen Zeitpunkt ermittelten Modelldruck wird die Zylinderluftmasse ermittelt.According to an advantageous embodiment, a model pressure of a gas in the intake tract is determined cyclically for a current point in time depending on the predefined intake manifold model and free of a pressure measurement value of the gas that is assigned to the current point in time. The model print is determined for the current point in time depending on a model print that was determined for a previous point in time. The cylinder air mass is determined depending on the model pressure determined for the current point in time.
Auch ein Drucksensor im Ansaugtrakt kann gegebenenfalls Messfehler aufweisen. Indem die Zylinderluftmasse frei von einem dem Druckmesswert ermittelt wird, der dem aktuellem Zeitpunkt zugeordnet ist, kann sehr schnell eine Zylinderluftmasse ermittelt werden und dadurch ein Beitrag zu einem zuverlässigen und emissionsarmen Betrieb der Brennkraftmaschine geleistet werden, da die Zylinderluftmasse als Grundlage für die Kraftstoffzumessung genutzt werden kann.A pressure sensor in the intake tract may also have measurement errors. By determining the cylinder air mass free of a pressure measurement value that is assigned to the current point in time, a cylinder air mass can be determined very quickly, thereby making a contribution to reliable and low-emission operation of the internal combustion engine, since the cylinder air mass is used as the basis for the fuel metering can.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird in dem zweiten Betriebszustand ein Druckmesswert des Gases bereitgestellt, der repräsentativ ist für einen Druck des Gases zu dem aktuellen Zeitpunkt. Ein Druckkorrekturwert wird ermittelt abhängig von dem Modelldruck für den aktuellen Zeitpunkt und dem bereitgestellten Druckmesswert. Der Druckkorrekturwert wird dem Saugrohrmodell zugeordnet und zumindest in dem ersten und dem zweiten Betriebszustand wird der Modelldruck für den aktuellen Zustand abhängig von dem Druckkorrekturwert mittels des Saugrohrmodells ermittelt.According to a further advantageous embodiment, a pressure measurement value of the gas is provided in the second operating state, which is representative of a pressure of the gas at the current time. A pressure correction value is determined depending on the model pressure for the current point in time and the pressure measurement value provided. The pressure correction value is assigned to the intake manifold model and at least in the first and the second operating state, the model pressure for the current state is determined depending on the pressure correction value by means of the intake manifold model.
Der Druckkorrekturwert wird beispielsweise derart ermittelt, dass die Differenz zwischen Modelldruck und Druckmesswert minimiert wird. Beispielsweise wird eine Modellgröße des Saugrohrmodells, die repräsentativ ist für die wirksame Querschnittsfläche der Drosselklappe derart mittels des Druckkorrekturwerts korrigiert, dass die Differenz zwischen Modelldruck und Druckmesswert minimiert wird. Auf diese Weise kann die Ermittlung der Zylinderluftmasse besonders genau erfolgen.The pressure correction value is determined, for example, in such a way that the difference between model pressure and pressure measurement value is minimized. For example, a model size of the intake manifold model that is representative of the effective cross-sectional area of the throttle valve is corrected by means of the pressure correction value such that the difference between the model pressure and the pressure measurement value is minimized. In this way, the cylinder air mass can be determined particularly precisely.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird in dem zweiten Betriebszustand ein Druckmesswert des Gases bereitgestellt, der repräsentativ ist für einen Druck des Gases zu dem aktuellen Zeitpunkt und der Modelldruck wird für den aktuellen Zeitpunkt abhängig von dem bereitgestellten Druckmesswert angepasst.According to a further advantageous embodiment, a pressure measurement value of the gas is provided in the second operating state, which is representative of a pressure of the gas at the current time and the model pressure is adapted for the current time depending on the pressure measurement value provided.
Da sich der die Druck des Gases in dem zweiten Betriebszustand im Wesentlichen nicht verändert, ist der Druckmesswert des Gases, der repräsentativ ist für einen Druck des Gases zu dem aktuellen Zeitpunkt, beispielsweise der Druckmesswert des Gases, der dem aktuellem Zeitpunkt zugeordnet ist oder ein Druckmesswert des Gases, der dem vorangegangenen Zeitpunkt zugeordnet ist.Since the pressure of the gas essentially does not change in the second operating state, the pressure measurement value of the gas that is representative of a pressure of the gas at the current time is, for example, the pressure measurement value of the gas that is assigned to the current time or a pressure measurement value of the gas associated with the previous point in time.
In dem zweiten Betriebszustand ändern sich die Werte des Drucksensors im Wesentlichen nicht. Somit kann in dem zweiten Betriebszustand der Modelldruck einfach an den Druckmesswert angepasst werden. Diese Anpassung kann wiederum bei einem Wechsel in den ersten Betriebszustand genutzt werden, da im ersten Betriebszustand der Modelldruck ermittelt wird abhängig von einem Modelldruck, die für einen vorangegangenen Zeitpunkt ermittelt wurde. Hierdurch kann somit die Zylinderluftmasse in beiden Betriebszuständen besonders genau und trotzdem sehr schnell ermittelt werden.In the second operating state, the values of the pressure sensor essentially do not change. Thus, in the second operating state, the model pressure can easily be adapted to the pressure measurement value. This adaptation can in turn be used when changing to the first operating state, since in the first operating state the model pressure is determined as a function of a model pressure that was determined for a previous point in time. As a result, the cylinder air mass can be determined particularly precisely and nevertheless very quickly in both operating states.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird der Modelldruck für den aktuellen Zeitpunkt abhängig von dem bereitgestellten Druckmesswert angepasst, indem der Modelldruck um einen vorgegebenen Faktor in Richtung des Druckmesswerts korrigiert wird.According to a further advantageous embodiment, the model pressure for the current time is adjusted depending on the pressure measurement value provided, in that the model pressure is corrected by a predetermined factor in the direction of the pressure measurement value.
Auf diese Weise kann die Korrektur der Zylinderluftmasse besonders robust und sehr einfach erfolgen, da beispielsweise sehr wenige Berechnungsschritte für die Korrektur notwendig sind.In this way, the correction of the cylinder air mass can be carried out in a particularly robust and very simple manner, since, for example, very few calculation steps are necessary for the correction.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird der Modelldruck für den aktuellen Zeitpunkt abhängig von dem bereitgestellten Druckmesswert angepasst, indem der Modelldruck abhängig von dem Betrag der Differenz des Modelldrucks und dem bereitgestellten Druckmesswert in Richtung des Druckmesswerts korrigiert wird.According to a further advantageous embodiment, the model pressure for the current time is adapted depending on the pressure measurement value provided, in that the model pressure is corrected in the direction of the pressure measurement value depending on the amount of the difference in the model pressure and the pressure measurement value provided.
Auf diese Weise kann die Korrektur der Zylinderluftmasse besonders robust und sehr genau erfolgen, da auf einfach Weise die Differenz für die Korrektur genutzt wird.In this way, the correction of the cylinder air mass can be carried out particularly robustly and very precisely, since the difference is used in a simple manner for the correction.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine Brennkraftmaschine mit einer zugeordneten Steuervorrichtung, -
2 einen Ausschnitt eines Ansaugtrakts der Brennkraftmaschine und -
3 eine auf eine Funktion x(t) angewandte Trapezintegrationsformel
-
1 an internal combustion engine with an associated control device, -
2 a section of an intake tract of the internal combustion engine and -
3 a trapezoidal integration formula applied to a function x (t)
Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.Elements of the same construction or function are identified with the same reference symbols in all figures.
Eine Brennkraftmaschine umfasst einen Ansaugtrakt
Der Ansaugtrakt
In dem Zylinderkopf
In dem Abgastrakt
Ferner kann auch eine Phasen-Verstelleinrichtung vorgesehen sein, die beispielsweise mit der Kurbelwelle
Ferner kann auch eine Schaltklappe oder ein sonstiger Schaltmechanismus zum Verändern einer effektiven Saugrohrlänge in dem Ansaugtrakt
Ferner kann auch ein Lader vorgesehen sein, der beispielsweise als Abgasturbolader ausgebildet sein kann und so eine Turbine und einen Kompressor umfasst.Furthermore, a charger can also be provided, which can be designed, for example, as an exhaust gas turbocharger and thus comprises a turbine and a compressor.
Eine Steuervorrichtung
Je nach Ausführungsform kann eine beliebige Untermenge der genannten Sensoren vorhanden sein oder es können auch zusätzliche Sensoren vorhanden sein.Depending on the embodiment, any subset of the sensors mentioned can be present or additional sensors can also be present.
Die Stellglieder sind beispielsweise die Drosselklappe
Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis, d.h. das Verhältnis der an der Verbrennung im Zylinder teilnehmenden Luftmasse mair,cyl , die auch als Zylinderluftmasse bezeichnet werden kann, zur an der Verbrennung im Zylinder teilnehmenden Kraftstoffmasse mfuel ist ein wichtiger Einflussfaktor für die Schadstoffemissionen einer Brennkraftmaschine. Die Zylinderluftmasse mair,cyl wird in der Steuereinrichtung (Motorsteuergerät) aufgrund vieler verfügbarer Größen geschätzt und dient als Grundlage für die Kraftstoffzumessung. Zur Einhaltung aktueller und zukünftiger Schadstoffemissionsgrenzwerte muss die Zylinderluftmasse im Motorsteuergerät unter allen stationären und transienten Motorbetriebsbedingungen auf wenige Prozent genau bekannt sein.The air-fuel ratio, ie the ratio of participating in the combustion in the cylinder air mass m air, cyl, which may also be referred to as a cylinder air mass, for participating in the combustion in the cylinder fuel mass m fuel is an important factor influencing the pollutant emissions of an internal combustion engine , The cylinder air mass m air, cyl is estimated in the control device (engine control unit) on the basis of the many available sizes and serves as the basis for the fuel metering. In order to comply with current and future pollutant emission limit values, the cylinder air mass in the engine control unit must be known to within a few percent under all stationary and transient engine operating conditions.
Druck und Temperatur des sich im Ansaugtrakt
Der Saugrohrdruck pim kann auch als Modelldruck eines Gases im Ansaugtrakt
Moderne Brennkraftmaschinen sind praktisch immer mit dem weiteren Temperatursensor zur Messung der Gastemperatur im Ansaugtrakt
Dies hat zur Folge, dass zwar alle gemessenen/beobachteten Änderungen des Saugrohrdrucks schnell - d.h. mit einer Verzögerung weniger Millisekunden - in die Modellierung der Zylinderluftmasse eingehen, Änderungen der Saugrohrtemperatur aber nur langsam mit der durch den Sensor vorgegebenen Dynamik mit einer Zeitkonstante von mehreren Sekunden.As a result, all measured / observed changes in the intake manifold pressure quickly - i.e. with a delay of a few milliseconds - go into the modeling of the cylinder air mass, but changes in the intake manifold temperature only slowly with the dynamics specified by the sensor with a time constant of several seconds.
Folgend wird erläutert, wie dazu beigetragen werden kann, die aus wechselnden Aktuatorpositionen der Brennkraftmaschine resultierenden Änderungen des Saugrohrdrucks pim und der Saugrohrtemperatur Tim genau und schnell zu modellieren, d.h. ohne die aus der großen Zeitkonstanten des Temperatursensors resultierende Verzögerung. Insbesondere ist eine derart modellierte Saugrohrtemperatur schneller verfügbar, als ein mit für Serienbrennkraftmaschinen verfügbaren Temperatursensoren erfasster Messwert. Dadurch wird die Modellierung der Zylinderluftmasse mair,cyl verbessert und damit ein Beitrag zur Verminderung der Schadstoffemissionen von Brennkraftmaschinen geleistet.The following explains how to help to model the changes in the intake manifold pressure p im and the intake manifold temperature T im resulting from changing actuator positions of the internal combustion engine precisely and quickly, ie without the delay resulting from the large time constant of the temperature sensor. In particular, an intake manifold temperature modeled in this way is available more quickly than a measured value recorded with temperature sensors available for series internal combustion engines. This improves the modeling of the cylinder air mass m air, cyl and thus contributes to the reduction of pollutant emissions from internal combustion engines.
Systemgrenzen und VoraussetzungenSystem limits and requirements
Das betrachtete System umfasst den Ansaugtrakt
Im Ansaugtrakt
Berücksichtigte MassenflüsseMass flows taken into account
Es gibt im allgemeinen Fall mehrere vom Saugrohrdruck beeinflusste Massenzuflüsse ṁin,1, ṁin,2,...ṁin,q aus q Quellen mit bekannten Gaszuständen (d.h. Quelldrücken p0,1, p0,2,... p0,q und Quelltemperaturen T0,1, T0,2,... T0,q) . Diese q Massenzuflüsse fließen über q Drosselstellen mit den wirksamen Querschnittsflächen Ain,1, Ain,2,... Ain,q in den Ansaugtrakt
Als Vereinfachung werden für alle im Ansaugtrakt
Diese Massenzuflüsse gelten als vom Saugrohrdruck beeinflusst,
- • weil das Druckverhältnis Πi über die jeweilige Drosselstelle zumindest in manchen Betriebszuständen unterkritisch, d.h. Πi ≥ 0,53 sein kann,
- • weil der Durchflusskoeffizient Ψ(Πi) dann nach Gleichung ((
5 )) vom Saugrohrdruck pim abhängig ist und - • weil diese Massenströme als Funktion des Saugrohrdrucks - nicht nur als Wert - in das Saugrohrmodell eingehen sollen.
- Because the pressure ratio Π i across the respective throttle point can be subcritical, at least in some operating states, ie Π i ≥ 0.53,
- • because the flow coefficient Ψ (Π i ) then according to equation ((
5 )) depends on the intake manifold pressure p im and - • Because these mass flows should be included in the intake manifold model as a function of the intake manifold pressure - not just as a value.
Beispiele für vom Saugrohrdruck beeinflusste Zuflüsse in den Ansaugtrakt
Es gibt im allgemeinen Fall mehrere vom Saugrohrdruck pim beeinflusste Massenabflüsse in s verschiedene Senken. Beispiele für Abflüsse aus dem Ansaugtrakt
Das negative Vorzeichen des Offsets ist nicht zwingend.The negative sign of the offset is not mandatory.
Es gibt im allgemeinen Fall weitere, vom Saugrohrdruck pim nicht beeinflusste Massenzuflüsse ṁin,q + 1, ṁin,q+2, ...ṁin,q+r aus r Quellen mit bekannten Gaszuständen (d.h. Quelldrücken p0,q+1, p0,q+2,... p0,q + r und Quelltemperaturen T0,q + 1, T0,q+2 ,... T0,q+ r) . Für sie gelten die Gleichungen ((
- - weil entweder das Druckverhältnis über die jeweilige Drosselstelle in allen Betriebszuständen überkritisch ist, d.h. Πi < 0,53 , der Durchflusskoeffizient Ψ dann nach Gleichung ((
5 )) konstant ist und der jeweilige Wert des Zuflussmassenstroms unabhängig vom Saugrohrdruck pim berechnet werden kann (z.B. am Gaseinblaseventil für CNG) oder - - weil trotz eines möglicherweise unterkritischer Druckverhältnisses Πi ≥ 0,53 an einer Drosselstelle als Modellvereinfachung der zugehörige Massenstrom auf Basis eines alten Werts des Saugrohrdrucks pim,n -1 außerhalb des Saugrohrmodells berechnet wird und dann nur als Wert (nicht als Funktion des Saugrohrdrucks) in das Saugrohrmodell eingeht.
- - because either the pressure ratio across the respective throttle point is supercritical in all operating conditions, ie Π i <0.53, the flow coefficient Ψ then according to equation ((
5 )) is constant and the respective value of the inflow mass flow can be calculated independently of the intake manifold pressure p im (eg on the gas injection valve for CNG) or - - Because despite a possibly subcritical pressure ratio Π i ≥ 0.53 at a throttle point as a model simplification, the associated mass flow is calculated on the basis of an old value of the intake manifold pressure p im, n -1 outside the intake manifold model and then only as a value (not as a function of the intake manifold pressure ) enters the intake manifold model.
Im Ansaugtrakt
Modellbildungmodeling
Die Enthalpie Him des Gases im Ansaugtrakt
Die potentielle Energie des Gases im Ansaugtrakt
Für den Ansaugtrakt
Durch die oben beschriebene Vernachlässigung von kinetischer und potentieller Energie des Gases im Ansaugtrakt
Die abfließenden Massen haben Saugrohrtemperatur
Die zufließenden Massen haben jeweils die Temperatur ihrer Quelle T0,i, damit ist die spezifische Enthalpie des i-ten Zuflussmassenstroms
Duch Einsetzen der Gleichungen ((
Wegen des konstanten Saugrohrvolumens ist pim·V̇im =0. Unter Berücksichtigung der funktionalen Abhängigkeiten aus ((1)), ((2)), ((4)) und ((8)) ergibt sich aus ((15)) durch Umstellen
Die Ableitung der allgemeinen Gasgleichung für das Gas im Ansaugtrakt
Wegen des konstanten Saugrohrvolumens ist pim·V̇im=0. Unter Berücksichtigung der funktionalen Abhängigkeiten aus ((1)), ((2)), ((4)) und ((8)) ergibt sich aus ((17))
Diskretisierung des ModellsDiscretization of the model
Die beiden Differentialgleichungen erster Ordnung der Variablen Saugrohrdruck
Die Differenz der Gleichungen ((
Auf die Saugrohrtemperatur
Alte Saugrohrtemperatur Tim,n-1 und alter Saugrohrtemperaturgradient Tim,n-1 sind zum Zeitpunkt n aus dem vorhergehenden Berechnungsschritt n-1 bekannte Werte. Durch Einsetzen von Gleichung ((19)) in ((21)) wird auch der Saugrohrtemperaturgradient Ṫim eliminiert:
Die Terme mit zu Beginn der Berechnungen für Zeitpunkt n bekannten Werten werden zur Vereinfachung der weiteren Herleitung zusammengefasst:
Ein Ersetzen der aktuellen Gasmasse im Ansaugtrakt
Die Terme mit zu Beginn der Berechnungen für Zeitpunkt n bekannten Werten werden zur Vereinfachung der weiteren Herleitung zusammengefasst
Die q vom Saugrohrdruck beeinflussten und die r vom Saugrohrdruck unbeeinflussten Zuflüsse werden separat geschrieben
Die Terme mit zu Beginn der Berechnungen für Zeitpunkt n bekannten Werten werden zur Vereinfachung der weiteren Herleitung zusammengefasst
Das Ersetzen der vom Saugrohrdruck beeinflussten Zuflüsse nach Gleichung ((2)) in ((27)) ergibt
Das Ersetzen des Durchflusskoeffizienten an der i-ten Drosselstelle nach Gleichung ((4)) und ((6)) in ((30)) ergibt
Die Terme mit zu Beginn der Berechnungen für Zeitpunkt n bekannten Werten werden zur Vereinfachung der weiteren Herleitung zusammengefasst
Gleichung ((
Analog zur Eliminierung des Saugrohrdruckgradienten in Gleichung ((
Eine Multiplikation von Gleichung ((
Die Summe der Gleichungen ((
Auf den Saugrohrdruck ṗim wird die allgemeingültige Trapez-Integrationsformel ((
Alter Saugrohrdruck Pim,n-1 und alter Saugrohrdruckgradient ṗim,n-1 sind zum Zeitpunkt n aus dem vorhergehenden Berechnungsschritt n-1 bekannte Werte. Durch Einsetzen von Gleichung ((43)) in ((44)) wird auch der Saugrohrdruckgradient ṗim eliminiert
Die Terme mit zu Beginn der Berechnungen für Zeitpunkt n bekannten Werten werden zur Vereinfachung der weiteren Herleitung zusammengefasst:
Die q vom Saugrohrdruck beeinflussten und die r vom Saugrohrdruck unbeeinflussten Zuflüsse werden separat geschrieben
Das Ersetzen des Abflussmassenstroms nach Gleichung ((
Das Ersetzen des Durchflusskoeffizienten an der i-ten Drosselstelle nach Gleichung ((4)) und ((6)) in ((49)) ergibt
Die Terme mit zu Beginn der Berechnungen für Zeitpunkt n bekannten Werten werden zur Vereinfachung der weiteren Herleitung zusammengefasst:
Gleichung ((
Lösung des Gleichungssystems Solution of the system of equations
Die Gleichungen ((
Als Differenz der Gleichungen ((59)) und ((60)) ergibt sich das linearisierte Saugrohrmodell im aktuellen Betriebspunkt
Für b = e würden laut Gleichung ((61)) beliebige Saugrohrtemperaturänderungen keine Änderung des Saugrohrdruck bewirken, was im Widerspruch zur allgemeinen Gasgleichung ((1)) steht. Damit ist der Fall b = e physikalisch nicht relevant. Für b ≠ e lässt sich Gleichung ((61)) umstellen zu
Durch Einsetzen von Gleichung ((62)) in entweder Gleichung ((59)) oder ((60)) ergibt sich jeweils
Für a = d würden laut Gleichung ((61)) beliebige Saugrohrdruckänderungen keine Änderung der Saugrohrtemperatur bewirken, was im Widerspruch zur allgemeinen Gasgleichung ((1)) steht. For a = d, according to equation ((61)), any changes in the intake manifold pressure would not cause a change in the intake manifold temperature, which contradicts the general gas equation ((1)).
Damit ist auch der Fall a = d physikalisch nicht relevant. Für a≠d lässt sich Gleichung ((63)) umstellen zu
Die Lösungsformel der quadratischen Gleichung
Zusammenfassend werden Saugrohrdruck pim und Saugrohrtemperatur Tim für den Zeitpunkt n aus den Gleichungen ((60)), ((62)) und ((65)) modelliert als
Abgleich des Saugrohrmodells auf den gemessenen GaszustandAdjustment of the intake manifold model to the measured gas condition
Im quasistationären Betrieb, d.h. nachdem alle Eingangssignale in das Saugrohrmodell für mehrere Sekunden im Wesentlichen konstant gewesen sind, ist es vorteilhaft, wenn das Saugrohrmodell den mit dem Sensor messbaren Saugrohrdruck pim,mdl = pim,mes und die messbare Saugrohrtemperatur Tim,mdl = Tim,mes ausgibt. Die durch die Gleichungen ((66)) und ((67)) gegebenen Form des Saugrohrmodells kann dies nicht sicherstellen, da sie nicht vom gemessenen Saugrohrdruck pim,mes oder von der gemessenen Saugrohrtemperatur Tim,mes abhängig sind. Insbesondere die zu Gleichung ((11)) angenommene Vernachlässigung von Wärmeübergängen durch die Saugrohrwand verfälscht das Saugrohrmodell stationär signifikant. Um Messwerte und Modellausgänge stationär trotzdem zusammenzuführen, sind drei Verfahren möglich:
- 1. Beobachterkorrektur: Beispielsweise ein oder mehrere Eingänge des Modells können automatisch so korrigiert werden, dass die Modellabweichungen Tim,mes - Tim,mdl und/oder pim,mes - pim,mdl minimiert werden.
- 1. Observer correction: For example, one or more inputs of the model can be corrected automatically so that the model deviations T im, mes - T im, mdl and / or p im, mes - p im, mdl are minimized.
Hierfür wird in dem quasistationären Betrieb ein Temperaturmesswert des Gases bereitgestellt, der repräsentativ ist für eine Temperatur des Gases zu dem aktuellen Zeitpunkt. Abhängig von der Modelltemperatur für den aktuellen Zeitpunkt und dem bereitgestellten Temperaturmesswert wird ein Temperaturkorrekturwert ermittelt. Der Temperaturkorrekturwert wird dem Saugrohrmodell zugeordnet und zumindest in einem instationären Betrieb und dem quasistationären Betrieb wird die Modelltemperatur für den aktuellen Zustand abhängig von dem Temperaturkorrekturwert mittels des Saugrohrmodells ermittelt.For this purpose, a temperature measurement value of the gas is provided in the quasi-stationary operation, which is representative of a temperature of the gas at the current time. A temperature correction value is determined depending on the model temperature for the current time and the temperature measurement value provided. The temperature correction value is assigned to the intake manifold model and at least in one Unsteady-state operation and quasi-steady-state operation, the model temperature for the current state is determined depending on the temperature correction value by means of the intake manifold model.
Der Temperaturkorrekturwert wird beispielsweise derart ermittelt, dass die Differenz zwischen Modelltemperatur und Temperaturmesswert minimiert wird. Beispielsweise wird mittels des Temperaturkorrekturwerts die Modellgröße „Temperatur des Drosselklappenmassenstroms“ des Saugrohrmodells korrigiert. Möglich ist alternativ oder zusätzlich auch die Einführung eines zusätzlichen, nicht physikalisch modellierten Modelleingangs „Wärmestrom durch die Saugrohrwand“, der derart mittels des Temperaturkorrekturwerts korrigiert wird, dass die Differenz zwischen Modelltemperatur und Temperaturmesswert minimiert wird.The temperature correction value is determined, for example, in such a way that the difference between the model temperature and the temperature measured value is minimized. For example, the model variable “temperature of the throttle valve mass flow” of the intake manifold model is corrected using the temperature correction value. As an alternative or in addition, it is also possible to introduce an additional, non-physically modeled model input “heat flow through the intake manifold wall”, which is corrected using the temperature correction value in such a way that the difference between the model temperature and the temperature measured value is minimized.
Alternativ oder zusätzlich wird in dem quasistationären Betrieb ein Druckmesswert des Gases bereitgestellt, der repräsentativ ist für einen Druck des Gases zu dem aktuellen Zeitpunkt. Ein Druckkorrekturwert wird ermittelt abhängig von dem Modelldruck für den aktuellen Zeitpunkt und dem bereitgestellten Druckmesswert. Der Druckkorrekturwert wird dem Saugrohrmodell zugeordnet und zumindest in dem ersten und dem zweiten Betriebszustand wird der Modelldruck für den aktuellen Zustand abhängig von dem Druckkorrekturwert mittels des Saugrohrmodells ermittelt.Alternatively or additionally, a pressure measurement value of the gas which is representative of a pressure of the gas at the current time is provided in the quasi-stationary operation. A pressure correction value is determined depending on the model pressure for the current point in time and the pressure measurement value provided. The pressure correction value is assigned to the intake manifold model and at least in the first and the second operating state, the model pressure for the current state is determined depending on the pressure correction value by means of the intake manifold model.
Der Druckkorrekturwert wird beispielsweise derart ermittelt, dass die Differenz zwischen Modelldruck und Druckmesswert minimiert wird. Beispielsweise wird eine Modellgröße des Saugrohrmodells, die repräsentativ ist für die wirksame Querschnittsfläche der Drosselklappe derart mittels des Druckkorrekturwerts korrigiert, dass die Differenz zwischen Modelldruck und Druckmesswert minimiert wird.The pressure correction value is determined, for example, in such a way that the difference between model pressure and pressure measurement value is minimized. For example, a model size of the intake manifold model that is representative of the effective cross-sectional area of the throttle valve is corrected by means of the pressure correction value such that the difference between the model pressure and the pressure measurement value is minimized.
2. Inkrementelle Modellkorrektur: Alternativ oder zusätzlich werden die Modelltemperatur und/oder der Modelldruck für den aktuellen Zeitpunkt abhängig von dem bereitgestellten Temperaturmesswert und/oder Druckmesswert angepasst, indem die Modelltemperatur und/oder der Modelldruck um einen vorgegebenen Faktor in Richtung des Temperaturmesswerts und/oder des Druckmesswerts korrigiert werden. Hierzu werden insbesondere die Modellausgänge Tim,mdl und pim,mdl aus Gleichungen ((66)), ((67) in jedem Abtastschritt um vorgegebene, zu kalibrierende Inkremente Tim,inc und pim,inc in Richtung Messwerte verschoben:
Die Parameter des Saugrohrmodells ((66)), ((67)) müssen entsprechend korrigiert werden:
3. Anteilige Modellkorrektur: Alternativ oder zusätzlich werden die Modelltemperatur und/oder der Modelldruck für den aktuellen Zeitpunkt abhängig von dem bereitgestellten Temperaturmesswert und/oder Druckmesswert angepasst, indem die Modelltemperatur abhängig von dem Betrag der Differenz der Modelltemperatur und dem bereitgestellten Temperaturmesswert in Richtung des Temperaturmesswerts korrigiert wird und/oder indem der Modelldruck abhängig von dem Betrag der Differenz des Modelldrucks und dem bereitgestellten Druckmesswert in Richtung des Druckmesswerts korrigiert wird. Es werden also insbesondere die Modellausgänge Tim,mdl und pim,mdl aus Gleichungen ((66)), ((67) in jedem Abtastschritt um zu kalibrierende Anteile der Modellfehler FTim,inc und Fpim,inc in Richtung Messwerte verschoben:
Die Parameter des Saugrohrmodells ((66)), ((67)) müssen entsprechend korrigiert werden:
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren lässt sich in Serienmotorsteuergeräten der Einfluss schneller Änderungen der Temperatur des Gases im Ansaugtrakt 1 auf die Zylinderluftmasse genauer beschreiben als dies aufgrund einer Messung mit einem für Serienmotoren verfügbaren Temperatursensoren möglich ist. Durch die genauere Kraftstoffzumessung infolge der genaueren Bestimmung der Zylinderluftmasse können Schadstoffemissionen des Brennkraftmaschine vermindert werden.With the proposed method, the influence of rapid changes in the temperature of the gas in the
Die Steuervorrichtung 25 ist dazu ausgebildet, das oben beschriebene Vorgehen auszuführen und so insbesondere die Zylinderluftmasse, die sich nach Schließen der Gaswechselventile in dem jeweiligen Zylinder befindet, zu ermitteln.The
Die Steuervorrichtung weist insbesondere einen Programm- und Datenspeicher auf und eine entsprechende Recheneinheit, wie einen Mikroprozessor.The control device has, in particular, a program and data memory and a corresponding computing unit, such as a microprocessor.
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R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: VITESCO TECHNOLOGIES GMBH, DE Free format text: FORMER OWNER: CONTINENTAL AUTOMOTIVE GMBH, 30165 HANNOVER, DE |
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R020 | Patent grant now final | ||
R081 | Change of applicant/patentee |
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